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UNIVERDIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN
ARQUITECTURA DE COMPUTADORES
TIPOS DE ARQUITECTURAS
Christian Garcés Mosquera César Taco Palomo Jean Tello Vilela Edwin Fernando Suquillo 29 de mayo de 2020 Objetivos:
- Investigar y tener muy en claro de que trata la arquitectura de un computador.
- Identificar los diferentes tipos de arquitectura de un computador.
- Definir los diferentes tipos de arquitectura con una investigación de lectura breve y muy concreta.
- Corroborar dichas definiciones encontradas sobre las arquitecturas del computador. Introducción El computador ha ido evolucionando de generación en generación conformándose ya con sus primeros circuitos integrados, software, hardware y hasta diferentes tipos de microprocesadores. Ahora, el concepto de arquitectura consiste ya en la unión de técnicas que nos permitirá construir maquinas lógicas. Pero… ¿cuáles fueron sus primeros orígenes o modelos que hicieron posible la evolución de estos procesadores hasta el día de hoy?
En este presente resumen encontraremos los diferentes modelos de arquitectura que se encontraban ya desde el siglo XX. Cabe decir que dicha investigación elaborada es para adquirir más conocimiento sobre dicho tema mencionado y a la vez también conocer los fundamentos que lo rigen, así como las partes que lo integran. Aparte resulta importante describir dichos conceptos y conocer dichas características que son importantes para nuestros conocimientos respecto al tema de arquitectura. Desarrollo Arquitectura de Von Neumann La arquitectura de Von Neumann es el diseño de las computadoras que utilizamos actualmente, que describe un computador u ordenador con 5 secciones principales que se encuentran interconectadas por un conjunto de cables, un enlace común. Figura 1: Estructura de Von Neumann Estructura
d) Búsqueda de los operandos. e) Ejecución (realiza la operación y almacena el resultado). De igual manera cada instrucción máquina debe especificar: a) La operación a realizar en el Código de Operación (C.O.) b) Información para calcular las direcciones de los operandos y dónde se guarda el resultado (Modos de Direccionamiento). c) Información de la dirección de la próxima instrucción a ejecutar. Procesador La ALU realiza una determinada operación según unas señales de control de entrada. Cada operación se lleva a cabo sobre un conjunto de datos y produce resultados. Por lo tanto, los resultados son generados según las señales de control y de los datos. Dentro del procesador es necesaria una unidad, denominada unidad de control, que sea capaz de interpretar las instrucciones para generar el conjunto de señales de control necesarias para gobernar la ejecución de las instrucciones, también es necesario que disponga de un conjunto de registros con los que sea capaz de trabajar la ALU, de donde leerá los datos necesarios para ejecutar las operaciones y donde almacenará los resultados de las operaciones hechas. Memoria y unidades de E/S Las instrucciones que ejecuta el computador y los datos necesarios para cada instrucción están almacenadas en la memoria principal, pero para introducirlos en la memoria es necesario un dispositivo de entrada. Una vez ejecutadas las instrucciones de un programa y generados unos resultados, estos resultados se deben presentar a los usuarios y, por lo tanto, es necesario algún tipo de dispositivo de salida. Sistema de interconexión
El bus de datos es el medio de comunicación compartido o multipunto donde se conectan todos los componentes que se quiere interconectar. Como se trata de un medio compartido, es necesario un mecanismo de control y acceso al bus. El sistema de interconexión es necesario, pero generalmente no se considera una unidad funcional del computador. El objetivo de la arquitectura Von Neumann es construir un sistema flexible que permita resolver diferentes tipos de problemas. Para conseguir esta flexibilidad, se construye un sistema de propósito general que se pueda programar para resolver los diferentes tipos de problemas. Para cada problema concreto se define un programa diferente. Arquitectura de Harvard El procesador se conecta a dos módulos independientes de memoria, conteniendo uno de ellos instrucciones (memoria de programa) y el otro dato (memoria de datos). Utiliza por tanto dos buses de direcciones y dos de datos que permiten obtener una instrucción y un dato en el mismo ciclo. Figura 2: Estructura de Harvard
- UCP (Unidad central de procesamiento): unidad donde se ejecutan las instrucciones de los programas y se controla el funcionamiento de los distintos componentes de una computadora.
- Procesador: dispone de una unidad de control para ejecutar una instrucción y una unidad aritmética y lógica que procesa y almacena el resultado producido en la memoria de datos.
- Memoria de instrucciones: es la memoria donde se almacenan las instrucciones del programa que debe ejecutar el microcontrolador. Utiliza memorias no volátiles.
- Memoria de datos: se almacenan los datos utilizados por los programas. Los datos varían continuamente y, por lo tanto, hay que implementarla utilizando memorias volátiles, memoria RAM.
- Líneas de interconexión: son las líneas que interconectan los diferentes elementos que forman la unidad de proceso. Dispositivos de E/S y recursos auxiliares Según la aplicación del microcontrolador, son necesarios unos recursos u otros. Los recursos más habituales que hay en la mayoría de los microcontroladores son los siguientes: Circuito de reloj. Temporizadores. Temporizador de vigilancia: circuito temporizador que provoca una reinicialización del sistema si el programa se bloquea por alguna condición de fallo. Convertidores analógico-digital (ADC) y digital-analógico (DAC). Comparadores analógicos. Sistema de protección para posibles fallos de la alimentación. Modos de funcionamiento de bajo consumo. Módulos de comunicación. Procesador de señales digitales
Un procesador de señales digitales o digital signal processor (DSP) es un dispositivo capaz de procesar en tiempo real señales procedentes de diferentes fuentes. Dispone de un procesador con gran potencia de cálculo preparado para tratar señales en tiempo real y puede hacer operaciones aritméticas a gran velocidad. Arquitectura ARM Se caracteriza fundamentalmente por ser una computadora de set de instrucciones reducido (Reduced Instruction Set Computer, RISC), los núcleos de ARM son muy simples en comparación con la mayoría de los procesadores de propósito general, lo que significa que se pueden fabricar usando un número relativamente pequeño de transistores, dejando espacio en el chip para aplicaciones específicas, están destinados a minimizar la energía de consumo, requisito fundamental para los sistemas móviles empotrados y por ultimo es altamente modular, siendo el único componente obligatorio de un procesador ARM el pipeline (arquitectura basada en filtros). La arquitectura ARM incorporó algunas características del diseño RISC de Berkeley, aunque no todas. Las que se mantuvieron son: Arquitectura de carga y almacenamiento (load-store): las instrucciones que acceden a memoria están separadas de las instrucciones que procesan los datos, ya que en este último caso los datos necesariamente están en registros Instrucciones de longitud fija de 32 bits: campos de instrucciones uniforme y de longitud fija, para simplificar la decodificación de las instrucciones. Formatos de instrucción de 3 direcciones: consta de “f” bits para el código de operación, “n” bits para especificar la dirección del 1er. operando, “n” bits para
Herramientas de depuración de bajo coste e incorporadas: Cada microcontrolador dispone de una interfaz JTAG, que permite utilizar herramientas de depuración en tiempo casi-real de muy bajo coste. Técnica “pipeline”: esta técnica consiste en comenzar la próxima instrucción antes de que la actual haya finalizado. El objetivo es economizar tiempo. Familias de la Arquitectura ARM Familia ARM Formada por un microprocesador RISC de 32 bits, alcanza los 130MIPs, e incorpora el conjunto de instrucciones de 16 bits de la tecnología Thumb. Figura 3: Estructura ARM Familia ARM Incorpora los 16 bits del conjunto de instrucciones Thumb, que mejora el rendimiento del código en un 35%, abandona la arquitectura von Neumann instalando la arquitectura Harvard con instrucciones separadas y buses para datos y cachés, mejorando significativamente la velocidad.
Figura 4: Estructura ARM Familia ARM Añade instrucciones de soporte multimedia (SIMD), alto rendimiento del procesador: 8 fases de pipeline, sistema de memoria de 64 bits de alto rendimiento que facilita acceder de forma más rápida a los datos para procesos multimedia y aplicaciones de redes. Figura 5: Estructura ARM Arquitectura Orientada a Servicios (SOA)
Figura 6: Estructura SOA Arquitectura en pipeline El modelo Pipeline se denomina en el mundo de la informática a una serie de elementos de procesamiento de datos ordenados de tal modo que la salida de cada uno es la entrada del siguiente. Pipeline (tuberías en español) hace referencia a su nombre, básicamente es como el agua pasa por la tubería, donde el agua es la información o los procesos. Aplicación de pipelines en la informática Los pipelines gráficos se encuentran en la mayoría de las tarjetas graficadoras y consiste en múltiples unidades aritméticas o CPUs completas que implementan distintos tipos de escenarios de operaciones típicas, como por ejemplo cálculos de luz. En los que es software consiste en varios procesos ordenados de tal manera que el flujo de salida alimenta un proceso de entrada del siguiente proceso, como lo leímos anteriormente.
Un ejemplo claro son los pipelines de Unix, que los procesos de este sistema se inicial al mismo tiempo. Un aspecto a tener en cuenta de sistema pipelin es el concepto de almacenamiento en búfer: por ejemplo, un programa que envía datos puede producir 5.000 bytes por segundo, y un programa de recepción sólo puede ser capaz de aceptar 100 bytes por segundo pero los datos no se pierden nunca. Si el buffer de la cola se llena, el programa que envía los datos se suspende/bloquea hasta que el programa receptor tiene la oportunidad de leer algunos datos y liberar espacio en el búfer. Figura 7: Aplicación de pipelines Arquitecturas INTEL Y AMD DE 32 Y 64 BITS: IA-32 (Intel Architecture, 32 bits): es la arquitectura del conjunto de instrucciones de los procesadores de Intel 80×86 y de los primeros microprocesadores de AMD. IA-32 fue una extensión de 32 bits, implementada por primera vez en 1986 en el procesador Intel 80386, sucesor de los antiguos procesadores Intel 8086, 8088, 80186 y 80286 de 16-bit y el denominador común de todos los diseños 80×86 subsiguientes (80486, 80586, 80686). Por este motivo, también es conocida de manera genérica como arquitectura i386, x86-32 o x86,
Arquitectura SPARC (Scalable Processor Architecture) En un procesador con arquitectura escalable se pueden definir versiones de la misma, con mayor cantidad de características, manteniendo la compatibilidad con los programas de versiones anteriores. SPARC es la primera arquitectura RISC abierta (Reduced instruction set computer) y una de las ideas innovadoras de esta arquitectura es la ventana de registros, que permite hacer fácilmente compiladores de alto rendimiento y una significativa reducción de memoria en las instrucciones load/store. La cpu SPARC está compuesta de una unidad entera que procesa la información básica y una FPU ( Floating-Point Unit ) que ejecuta las operaciones y cálculos de los reales. Figura 10: Chip SPARC Características
- Utiliza ventanas de registros: 32 registros de enteros de 32 bits. 16 registros de punto flotante de 64 bits (para doble precisión) que se pueden utilizar como 32 registros de 32 bits para precisión simple
- Utiliza instrucciones retardadas (saltos, load y store)
- Manejo de memoria: Espacio virtual de 4 Gibabytes Unidad de manejo de memoria (MMU) Arquitectura PowerPC Es una arquitectura de computadoras de tipo RISC. Una característica significativa es que puede operar tanto en big-endian como en little-endian e incluso conmutar de un modo a otro en tiempo de ejecución. Se conoce como endianness al orden que se utiliza cuando se almacena una secuencia de datos en memoria. Si se empieza a guardar el registro por el byte más significativo se conoce como Big-Endian. Si por el contrario se empieza por el byte de menor peso, se le llama little-endian. Los procesadores x86 funcionan en little-endian mientras que los PowerPC suelen usar big-endian. Se caracterizan por tener un juego de intrusiones más simple que permite simplificar su diseño y una mayor cantidad de registros para obtener un rendimiento superior.
- Concluimos también que la arquitectura de pipeline da procesamientos de datos ordenados y en sistemas operativos ejecuta una serie de procesos de manera simultánea y secuencial mediante un administrador de tareas dando así capacidad de procesamientos. Recomendaciones
- Detallar e indagar más la información sobre los tipos de arquitecturas para así llegar a un buen desarrollo de aprendizaje.
- Realizar y tener en claro la orientación de objetos que se encuentran en el ordenador para así garantizar un buen manejo en áreas de trabajo o áreas profesionales.
Bibliografía
